1.3.3 微型計算機的硬件組成

微型計算機是使用微處理器作為CPU的計算機，這類計算機的一個主要特征就是占用很少的空間。臺式計算機、筆記本電腦、平板電腦，以及種類眾多的手持設備都屬于微型計算機。微型計算機對人類社會的發展產生了極其深遠的影響。

1.中央處理器

在以前舊式計算機中，運算器和控制器是兩個獨立部件，各自完成自己的功能。現如今，通常把運算器和控制器集成在一起，合稱為中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），也稱為中央處理器。

目前，世界上生產微處理器芯片的公司主要有美國的Intel和AMD兩家著名公司，圖1-4所示是兩家公司生產的微處理器的外觀。

微處理器是微型計算機的核心部件，它的性能指標對整個微型機具有重大影響，因此，人們往往用CPU型號作為衡量微型機檔次的標準。

衡量CPU性能的主要指標有兩個：字長和主頻。在其他指標相同時，字長越長，數的表示范圍越大，運算精度越高，計算機處理數據的速度也越快；字長相同時，主頻越高，運算速度就越快。

目前，CPU發展的主要趨勢是：由傳統的32位處理器向64位處理器過渡；制造工藝由0.13μm工藝發展為90nm、65nm、45nm、32nm工藝，并已開始向22nm進軍；由傳統的單核CPU向2、4、8、16、32核等多核CPU發展。

2.存儲器

存儲器是用來存儲程序和數據的“記憶”裝置，相當于存放程序的倉庫。

存儲器分為內存（又稱主存）和外存（又稱輔存）兩大類。現代微型計算機新增加了一種特殊的存儲器——高速緩存Cache。

（1）內存儲器

絕大多數內存儲器是由半導體材料構成的。按其功能可分為隨機訪問存儲器（Random Access Memory，RAM）和只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）。

① 隨機訪問存儲器

微型計算機中配置的內存條就是隨機訪問存儲器（RAM），通常所說的計算機內存容量就是指內存條的容量。由于RAM是一種可隨機讀寫的存儲器，所以可直接與CPU交換信息。它的特點是斷電后原來存儲的信息會立即丟失，因此計算機每次啟動時都要對RAM進行重新裝配。圖1-5所示是常見內存條的外觀圖。

目前常用的內存條為DDR3內存，一般選配的內存容量為4GB～16GB。

② 只讀存儲器

只讀存儲器（ROM）主要是用來存放固定不變且經常使用的程序和數據。ROM里存放的信息一般由制造廠家寫入并經固化處理，用戶是無法修改的，即使斷電，ROM 里的信息也不會丟失。因此，ROM 一般用于存放計算機系統管理程序，如監控程序、基本輸入/輸出程序BIOS等。

（2）外存儲器

由于價格和技術方面的原因，內存的存儲容量受到限制。為了滿足存儲大量信息的需求，就需要采用價格便宜且容量較大的外存儲器作為對主存的后援。目前，常用的外存儲器有硬盤、光盤和U盤等。

① 硬盤

硬盤是最重要的外存儲器，用來存放需要長期保存的程序和數據，它由一組同樣大小、涂有磁性材料的鋁合金圓盤片環繞一個共同的軸心組成。硬盤一般都封裝在一個質地較硬的金屬腔體里。圖1-6所示為硬盤的外觀和內部結構圖。

硬盤具有存儲容量大、存取速度快、可靠性高、每兆字節成本低等優點。

硬盤在出廠后必須經過以下三個步驟才能正常使用：a.對硬盤進行低級格式化；b.對硬盤進行分區；c.對硬盤進行高級格式化。

影響硬盤的首要性能指標是存儲容量。一個硬盤一般由多張盤片組成，每張盤片的每一面都有一個讀寫磁頭（Head）。使用硬盤前需要通過格式化將盤片劃分成若干個同心圓，每個同心圓都被稱為磁道，磁道的編號從最外層以 0（第0 道）開始，每個盤片上劃分的磁道數是相同的。盤片組中相同磁道從上向下就形成了一個想象的圓柱，被稱為硬盤的柱面（Cylinder）。同時將每個磁道再劃分為若干扇區，每個扇區的容量為512個字節。所以硬盤容量的計算公式為：

硬盤容量＝512B/扇區×扇區數/磁道×磁道數×面數×盤片數

硬盤的另一個重要性能指標是存取速度。普通硬盤轉速有5400rpm和7200rpm兩種，服務器硬盤轉速甚至達到15000rpm。較高的轉速可提高硬盤的存取速度，但隨著硬盤轉速的不斷提高，也帶來溫度升高、電機主軸磨損加大、工作噪音增大等負面影響。

硬盤按其接口類型分為IDE接口、SCSI接口及SATA接口等多種，目前使用最多的是SATA接口。主要的硬盤生產廠商有Quantum、Seagate、Maxtor、IBM、西部數據等，市面上流行的是容量為500GB、1TB、2TB、3TB、4TB、6TB等規格的硬盤。

② 光盤

按照數據格式，光盤可以分為CD和DVD兩種類型，DVD光盤存儲容量（4.7GB～17GB）比CD光盤（最大為700MB）要大得多，價格也要高一些。

按照讀寫屬性，光盤可以分為只讀型光盤（CD-ROM 或 DVD-ROM）、一次性寫入光盤（CD-R 或DVD－R）和可擦寫光盤（CD-RW或DVD-RW）。

光盤驅動器簡稱光驅，是讀取光盤信息的設備。和光盤相對應，光驅也有 CD－ROM 和 DVD－ROM兩種，圖1-7所示為常見光盤和光驅的外觀圖。

③ U盤和移動硬盤

U盤即USB盤的簡稱，如圖1-8所示，是采用閃存（Flash Memory）存儲技術的USB外存儲器，其最大的特點是：易于攜帶、可靠性高、可以熱插拔，并且價格便宜。目前常見的U盤容量有16GB、32GB、64GB等。有的U盤還帶有寫保護開關，能防止病毒侵入，更加安全可靠。

在需要移動存儲的數據量更大時，還可以選用移動硬盤，如圖1-9所示。目前常見的移動硬盤的容量有500GB、1TB、2TB、3TB等。移動硬盤的優點是：容量大、傳輸速度高、使用方便、可靠性高。

（3）高速緩存

在以前速度較低的低檔微型計算機中，只有主存與外存兩級存儲器。隨著超大規模集成電路技術的發展，內存儲器的存取速度已經有了很大提高，但相比之下，CPU工作速度提高更快，二者存在大約一個數量級的差距。為了解決CPU與主存之間的速度匹配問題，現代微型計算機新增加了一種特殊的存儲器——高速緩沖存儲器（Cache）。

Cache就是一種位于CPU與內存之間的存儲器。它的存取速度比普通內存快得多，但容量有限。Cache主要用于存放當前內存中使用最多的程序塊和數據塊，并以接近CPU工作速度的方式向CPU提供數據，從而使得CPU對內存的訪問變為對高速緩存的訪問，以提高CPU的訪問速度和整個系統的性能。

現代計算機系統普遍采用“高速緩存—主存—外存”三級存儲體系結構。

3.輸入設備

輸入設備是用來向計算機輸入原始數據和程序的設備，是重要的人機接口。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、手寫筆、觸摸屏、攝像頭、話筒等。

（1）鍵盤

鍵盤是計算機必備的輸入設備，是人機交互的一個主要媒介。用戶在編寫程序、錄入文字以及發出一些操作命令時都要使用鍵盤進行輸入。目前市場上有各種個性化外形的鍵盤，但基本都是101鍵和104鍵的鍵盤。圖1-10所示為常見的鍵盤。

要想使用鍵盤快速準確地輸入文字，必須經過長期的指法訓練。

（2）鼠標

鼠標是目前除鍵盤之外最常見的一種基本輸入設備。鼠標的出現使計算機的操作更加方便，其主要作用是通過移動鼠標可快速定位屏幕上的對象，如圖標、按鈕等，從而實現執行命令、設置參數和選擇菜單等輸入操作。圖1-11所示為常見的鼠標。

鼠標控制著屏幕上的一個指針形光標。當移動鼠標時，光標就會隨著鼠標的移動而在屏幕上移動。

鼠標的基本操作包括指向、單擊、雙擊、拖動和單擊右鍵。

（3）掃描儀

掃描儀是一種將各種形式的圖像信息輸入到計算機的重要工具，從最直接的圖片、照片、膠片到各類圖形以及各類文稿資料都可以通過掃描儀輸入到計算機中，進而實現對這些圖像形式的信息的存儲、處理、使用、輸出等。

掃描儀種類很多，按不同的標準可分成不同的類型。按掃描原理可將掃描儀分為平板式掃描儀、滾筒式掃描儀和手持式掃描儀；按用途可將掃描儀分為可用于各種圖稿輸入的通用型掃描儀和專門用于特殊圖像輸入的專用型掃描儀，如條碼讀入器、卡片閱讀機等。圖1-12是平板式掃描儀的一種。

4.輸出設備

輸出設備是負責將計算機處理后的信息轉變為人們所能識別的信息的設備。常用的輸出設備主要有顯示器、打印機、繪圖儀、投影儀、音箱、耳機等。

（1）顯示器

顯示器又稱監視器，其作用是將主機處理后的信息以文字、數字、圖形、圖像形式顯示出來。目前常用的顯示器主要有陰極射線管顯示器（CRT）和液晶顯示器（LCD）兩種。

CRT 顯示器是早期應用最廣泛的顯示器，也是幾十年來，形狀與使用功能變化最小的計算機外設產品之一，如圖 1-13 所示。其優點是顯示分辨率高、色彩還原度高、響應時間短、使用壽命較長，缺點是體積大、耗電量大。

圖1-14所示為液晶顯示器。早期的液晶顯示器指的是LCD顯示器，是一種采用液晶控制透光度技術來實現色彩顯示的顯示器。如今的液晶顯示器是指LED顯示器，是一種通過控制發光二極管來控制顯示效果的背光液晶顯示器。無論是顯示效果還是使用壽命，LED都較LCD有著長足的進步，也更加節能。

液晶顯示器與CRT顯示器相比，具有機身薄、輻射低、完全平面、圖像質量細膩穩定等優點。CRT純平顯示器則具有顯示分辨率高、色彩還原度高、色度均勻、響應時間極短等液晶顯示器難以超越的優點。

（2）打印機

打印機已成為辦公自動化系統的一個重要輸出設備。它的作用就是將主機處理后的信息打印在紙張上，可以打印文字，也可以打印圖片。打印機種類很多，按照打印機的工作原理，可以分為針式、噴墨和激光打印機三大類，分別如圖1-15、圖1-16和圖1-17所示。

針式打印機的優點是耗材便宜（包括打印色帶和打印紙），缺點是打印速度慢，噪音大，打印分辨率低。但針式打印機可以打印多層紙，因此，在票據打印中經常選用它。

噴墨打印機的打印效果優于針式打印機，并且無噪音，能夠打印彩色圖像。缺點是打印速度慢、墨盒消耗快，并且耗材貴，特別是彩色墨盒。

激光打印機是各種打印機中打印效果最好的，其打印速度快、噪聲低，可以常年保持印刷效果清晰細致，缺點是耗材貴、價格高。

人們通常將CPU、內存及相關電路合稱為主機，把輸入、輸出設備和外存合稱為外部設備，簡稱外設。